摘 要： 以某高校綜合樓智能配電控制系統(tǒng)的設(shè)計為例，提出一種基于Profibus總線技術(shù)的智能配電柜系統(tǒng)，在分析系統(tǒng)的構(gòu)架與特點的基礎(chǔ)上，給出了以PLC為核心的主站方案及從站軟件流程圖和投入運行后的監(jiān)控界面圖。該系統(tǒng)使得設(shè)備控制的集中化、智能化得到了實現(xiàn)，具有良好的可擴充性。
關(guān)鍵詞： Profibus協(xié)議；智能配電柜；PLC；監(jiān)控界面
目前廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)的配電控制裝置有以下幾個特點：
?。?）對建筑電氣的控制多由獨立的設(shè)備完成，控制裝置大多只具備對一套獨立設(shè)備中的單臺設(shè)備的控制功能，在正常運行和監(jiān)控時不夠便捷。在電氣控制裝置二次控制回路設(shè)計上，多采用獨立分散繼電器控制方式，而這種方式使用的電氣元件多、體積大、觸點多、故障率大、壽命短，因此運行存在維修不便、可靠性低等問題。
（2）現(xiàn)代建筑中配備的電氣設(shè)備數(shù)量持續(xù)增加，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)雜度也不斷提升，迫切需要可以有效提高管理水平以加強對設(shè)備的功能控制的解決方案。
上述問題都對建筑電氣提出了新的要求，本文基于對Profibus總線技術(shù)的研究構(gòu)建了適用于現(xiàn)代建筑電氣控制裝置設(shè)計與工程應(yīng)用的建筑智能配電柜系統(tǒng)。
Profibus是工業(yè)控制領(lǐng)域中的主流現(xiàn)場總線標準，對傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備有良好的支持，針對早期模擬控制裝置與獨立的設(shè)備控制，用直接數(shù)字控制器（DDC）和集散控制系統(tǒng)（DCS）為主流的樓宇自動化系統(tǒng)對其進行改進。運用計算機數(shù)據(jù)處理、自動測量及控制技術(shù)，可對建筑內(nèi)各種分散的機電設(shè)備、消防和安保設(shè)備裝置進行自動控制和統(tǒng)一管理。采用可編程控制器（PLC）實現(xiàn)電機智能控制二次回路，其結(jié)構(gòu)簡單、高效率、低能耗、調(diào)速性能優(yōu)良及可控性靈活。
1 智能配電柜系統(tǒng)的設(shè)計
1.1 工程概況
本項目為某高校綜合樓，建筑面積約22 000 m2，安裝的電氣設(shè)備主要有送風(fēng)機（13 kW）3臺，排煙風(fēng)機（7.5 kW）2臺，生活泵（20 kW）2臺，排污泵（20 kW）2臺，消防/噴淋泵（60 kW）各1臺。
1.2 系統(tǒng)構(gòu)架
本項目系統(tǒng)采用包括現(xiàn)場設(shè)備層、PLC數(shù)據(jù)處理層、運行監(jiān)控層的分層分布式設(shè)計[1]。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。
?。?）現(xiàn)場控制層
高低壓智能配電柜是現(xiàn)場控制層的主要組成部分。其中安裝有智能設(shè)備、現(xiàn)場智能儀表、遠程I/O和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，如排風(fēng)機、生活水泵軟起動器、變頻器、多功能網(wǎng)絡(luò)儀表、諧波儀表及智能電動機保護器等。
?。?）PLC數(shù)據(jù)處理層
作為中間層的PLC數(shù)據(jù)處理層的主要作用是對監(jiān)控層與設(shè)備層進行數(shù)據(jù)的傳遞處理與網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)換。從現(xiàn)場讀取設(shè)備運行數(shù)據(jù)，PLC對其預(yù)處理后上傳至控制中心并接收其回應(yīng)信息，再對現(xiàn)場層的智能儀表等設(shè)備下達控制中心的遙控、遙調(diào)命令。通過組態(tài)編程，PLC能夠自動控制現(xiàn)場設(shè)備層的智能設(shè)備。
?。?）運行監(jiān)控層
組成監(jiān)控層的工作站、PLC/DCS控制器等部分都是連接在總線上，且與工業(yè)以太網(wǎng)相連接。監(jiān)控中心軟件是使用Visual Basic 6.0開發(fā)的，具有友好的人機界面，可以實時顯示系統(tǒng)信息的參數(shù)與圖表，詳實地記錄工況供用戶查閱。
1.3 系統(tǒng)主站設(shè)計
由系統(tǒng)構(gòu)架圖可知，該智能配電柜系統(tǒng)以一臺基于Windows平臺的計算機作為上位機與用戶進行人機互動。智能配電柜中安裝的智能電器元件具有標準RS-485通信接口，其與上位機RS-232接口的連接可使用Profibus協(xié)議通過轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。本系統(tǒng)的PROFIBUS-DP應(yīng)用系統(tǒng)采用的是單主站結(jié)構(gòu)，遵循主/從原理與從站進行數(shù)據(jù)交換[2]。
本系統(tǒng)選用的PROFIBUS-DP主站是以PLC為核心的方案，其做PROFIBUS-DP主站主要優(yōu)點為：功能強大，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能；可靠性高，抗干擾能力強；硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強；系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少。
與從站的通信過程為：當(dāng)SIEMENS PLC S7-300 CPU315-2DP作為網(wǎng)絡(luò)上的主站時，CPU315-2DP通過地址增序輪詢方式與從站進行通信，這樣可以保證所有的輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)都具有時效性。此時主站若要想與從站通信，則需首先發(fā)送一個請求數(shù)據(jù)幀，從站接收到請求數(shù)據(jù)后，隨即向主站發(fā)送一個響應(yīng)幀。主要的報文有令牌報文、固定長度無/有數(shù)據(jù)單元的報文、變數(shù)據(jù)長度的報文。
綜上所述，以PLC為核心的主站方案可以適用于智能配電柜系統(tǒng)控制現(xiàn)場，并實現(xiàn)復(fù)雜的自動化控制功能。
1.4 系統(tǒng)從站設(shè)計
DP協(xié)議接口是DP從站設(shè)計的重點和難點，它主要實現(xiàn)PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并提供總線訪問接口。本系統(tǒng)DP協(xié)議接口部分的方案設(shè)計選擇的是單片機與Profibus通信控制器相結(jié)合的方案。Profibus通信控制器主要功能是實現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議和提供高速率的異步串行通信接口。在Profibus通信控制器方式下，實現(xiàn)從站外部進行功能調(diào)用及提供用戶命令，即為單片機的主要功能。
本系統(tǒng)設(shè)計不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，而且可以進行處理并記錄相應(yīng)的狀態(tài)，根據(jù)要求做出相應(yīng)動作的智能從站。
采用C8051F020單片機是綜合考慮了單片機程序所需占用的資源、從站功能化和成本等因素后的選擇。C8051F020單片機的特點：
（1）采用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容可以使用標準803X/805X的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)，CIP-51內(nèi)核具有標準8052的所有外設(shè)部件[3]。
（2）C8051F020的片內(nèi)資源非常豐富：64 KB的Flash、4 KB的RAM、8通道的12 bit ADC、2通道的12 bit DAC、可編程的16 bit計數(shù)器/定時器陣列、5個捕捉/比較模塊以及內(nèi)置看門狗電路等。片內(nèi)大容量的Flash和RAM可以完全滿足從站軟件的要求。片內(nèi)的8通道12 bit ADC和2通道12 bit DAC可以作為4通道A/D采集/2通道D/A波形輸出從站的模擬輸入/輸出接口。
?。?）為了滿足低功耗的要求，C8051F020的標準工作電壓是3.3 V。要實現(xiàn)DP協(xié)議，使用的SPC3（SIEMENS Profibus Controller 3）不僅支持從站的開發(fā)且集成了全部的PROFIBUS-DP協(xié)議，能用于12 Mb/s波特率總線，可以降低PROFIBUS-DP從站開發(fā)的難度。所以采用SPC3通信控制器能夠滿足從站設(shè)計的要求。
C8051F020在其內(nèi)部為各種功能開辟了統(tǒng)一的輸入/輸出緩沖區(qū)，只要將C8051F020輸入緩沖區(qū)的內(nèi)容轉(zhuǎn)存到SPC3的輸入緩沖區(qū)中，便可實現(xiàn)向主站傳送帶有各種功能的輸入數(shù)據(jù)。同時外部診斷也可以通過由SPC3用戶自定義設(shè)置診斷信息來進行[4]。整個主程序流程圖如圖2、圖3所示。
2 數(shù)據(jù)庫及HMI設(shè)計
WINCC的數(shù)據(jù)保存在標準的Sybase SQL Anywhere數(shù)據(jù)庫中，Sybase Central 4.0可以通過ODBC直接訪問WINCC的歷史數(shù)據(jù)庫。如需要進行數(shù)據(jù)插入工作，利用Visual Baic 6.0編寫訪問WINCC數(shù)據(jù)庫程序。在VB中，先引用ADO組件，并聲明ADO變量，程序如下：
Private cn As ADOD B.Connection
Private rs As ADOD B.Recordset
Const dsn=“CC_PLC_13-01-16_19：45：24R”
Private sub instertData（nowValue as double）
Dim nowtime as string
Nowtime=now
cn.Open dsn，“”，“”
sqlstr=“insertintoPDE#HQZ#POWER_PRE（T，V，F(xiàn)）Values（“”+Nowtime+“”，“+nowValue+”，255）”
cn.Execute sqletr
cn.close
End sub
本系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場設(shè)備的實時運行情況和故障的判定規(guī)則，可實時監(jiān)控設(shè)備運行情況并進行記錄。
系統(tǒng)人機界面由Visual Basic 6.0設(shè)計，系統(tǒng)可向PLC寫命令數(shù)據(jù)和從PLC讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過編寫程序訪問WINCC歷史數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。整個系統(tǒng)的功能界面集成在一個窗口中，操作非常簡單直觀，可以看到配電主接線圖通信狀況、負荷曲線、溫度監(jiān)控、歷史記錄、故障報警記錄和報表管理等菜單，點擊相應(yīng)按鈕就可以查詢當(dāng)前的線路的主要參數(shù)，如電流、電壓、有/無/視在功率及需要系數(shù)等。
3 系統(tǒng)應(yīng)用效果及展望
本智能配電柜系統(tǒng)投入運行之后，使得原先一個個獨立工作的設(shè)備監(jiān)控裝置通過總線技術(shù)相互聯(lián)系成為一個控制群體，使計算機監(jiān)控中心能及時地了解整個系統(tǒng)的用電量情況和現(xiàn)場設(shè)備的具體運行情況。由于智能PLC模塊的應(yīng)用，集散控制方式下的靈活性與精確性得到了提高，能夠隨時反饋并定位的故障報警信號，增加了設(shè)備的運行壽命與安全性，節(jié)約了能源與開支。該基于Profibus總線技術(shù)的系統(tǒng)具有良好的擴充性，可以與建筑物內(nèi)的樓宇自動化系統(tǒng)相連接。可見，基于Profibus現(xiàn)場總線的配電柜監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景。
參考文獻
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